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      曲柄滑塊式折疊翼機(jī)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

      2022-09-29 12:12:18吳文錦郭高智周昌蘭王煜瑄朱永強(qiáng)
      關(guān)鍵詞:搖桿曲柄機(jī)翼

      吳文錦,郭高智,周昌蘭,王煜瑄,朱永強(qiáng)

      (青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,山東 青島 266520)

      在自然界,鳥類和昆蟲在停止飛行時都能夠?qū)⒊岚蚴湛s,完全貼附在身體上,在飛行時,同樣能夠?qū)⒊岚蛲耆归_,這種能夠大幅度折疊和展開的機(jī)理使得鳥類和昆蟲最大程度的發(fā)揮翅膀的性能,大幅展開有利于提高鳥類的飛行的能力,大幅折疊能夠最大程度上保護(hù)翅膀不受傷害。因此,折疊翼飛行器具有良好的機(jī)翼折疊效果,進(jìn)而越來越成為研究熱點(diǎn)。

      目前,關(guān)于折疊翼飛行器的折疊方式主要分為驅(qū)動方式折疊、主動被動折疊和剛性柔性材料折疊方式等,這些驅(qū)動方式存在折疊幅度小、可控性差和缺乏連續(xù)性的缺點(diǎn)[1-4]。為此,通過研究曲柄滑塊機(jī)構(gòu),設(shè)計一種基于曲柄滑塊式折疊翼飛行器。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)較為相似,單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動時,機(jī)構(gòu)的非對稱性導(dǎo)致左右兩根桿件轉(zhuǎn)動角度存在較大偏差,不利于機(jī)構(gòu)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動[5-7]。而曲柄滑塊機(jī)構(gòu)通過添加一個滑塊和連接滑塊與曲柄的連桿,解決了曲柄轉(zhuǎn)動時機(jī)構(gòu)左右不對稱的問題[8]。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化后,得到一種空間斜曲柄滑塊機(jī)構(gòu),進(jìn)一步保證了機(jī)構(gòu)的對稱性運(yùn)動[9]。但是傳統(tǒng)的單曲柄滑塊雙搖桿機(jī)構(gòu)曲柄轉(zhuǎn)動一個周期,搖桿轉(zhuǎn)動角度較小,達(dá)到不到機(jī)翼折疊/展開幅度的要求。因此,本文在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上加上搖桿,并進(jìn)行改進(jìn),使得單曲柄滑塊雙搖桿折疊翼機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)行大幅度的折疊/展開運(yùn)動。通過舵機(jī)驅(qū)動曲柄順時針轉(zhuǎn)動,即可完成機(jī)翼折疊動作,對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析,并計算出合理的桿件長度,滿足機(jī)翼折疊/展開需求。

      1 折疊翼機(jī)構(gòu)模型建立

      曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)簡單和機(jī)構(gòu)的對稱性,多被運(yùn)用于撲動機(jī)構(gòu)上,如圖1所示。曲柄OC在電機(jī)的驅(qū)動下通過連桿BC拉動滑塊B沿著滑槽運(yùn)動,滑塊B通過連桿AB、A1B拉動搖桿AO1、A1O2繞鉸接點(diǎn)O1、O2上下?lián)鋭?。根?jù)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)能夠改變搖桿轉(zhuǎn)動角度這一特性,將搖桿作為機(jī)翼折疊桿件,改變鉸接點(diǎn)O1、O2和A、A1的位置,使得折疊桿能夠圍繞固定鉸接點(diǎn)O1、O2轉(zhuǎn)動,改進(jìn)后的曲柄滑塊折疊機(jī)構(gòu)如圖2所示。曲柄OC順時針轉(zhuǎn)動180°,通過傳動桿BC驅(qū)動滑塊B前后移動,滑塊B通過拉桿AB、A1B將滑塊的位移量轉(zhuǎn)換成角度傳遞給機(jī)翼折疊桿,驅(qū)動機(jī)翼折疊桿AO1、A1O2繞固定鉸接點(diǎn)O1、O2轉(zhuǎn)動,以此完成機(jī)翼折疊和展開運(yùn)動。

      圖1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

      圖2 改進(jìn)后的曲柄滑塊折疊機(jī)構(gòu)

      折疊翼機(jī)構(gòu)設(shè)計旨在模仿鳥類翅膀大幅度的折疊和展開,對各桿件長度進(jìn)行合理設(shè)計,使得曲柄順時針轉(zhuǎn)動180°,機(jī)翼折疊角轉(zhuǎn)動幅度能夠達(dá)到90°。另外,兩側(cè)拉桿的設(shè)計使機(jī)翼在大幅度轉(zhuǎn)動過程中能夠保持對稱運(yùn)動。

      2 折疊翼機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析

      2.1 運(yùn)動學(xué)分析

      由于機(jī)翼折疊桿和拉桿部分為對稱結(jié)構(gòu),為便于研究取右側(cè)部分加上曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為運(yùn)動學(xué)分析的研究對象,如圖3所示。其中曲柄OC的長度為l,傳動桿BC的長度為l1,拉桿A1B的長度為l2,折疊桿A1O2部分的長度為l3;折疊桿固定鉸接點(diǎn)O2距離機(jī)構(gòu)中心線的距離為m,滑塊B距離上端的長度設(shè)為s2,距離曲柄旋轉(zhuǎn)中心的距離設(shè)為s1,s為二者的距離相加值;曲柄轉(zhuǎn)動角度為θ,機(jī)翼折疊/展開角度為φ,α為拉桿與折疊角之間的夾角,β為曲柄與傳動桿間的夾角,γ為輔助角。

      圖3 曲柄滑塊折疊翼機(jī)構(gòu)

      由圖3可得曲柄轉(zhuǎn)動角度θ計算公式如公式(1)所示。

      (1)

      化簡可得以s1為未知數(shù)的一元二次方程如公式(2)所示。

      (2)

      對公式(2)進(jìn)行求解,由于設(shè)計模型中s1>0,故s1的值為:

      (3)

      由圖3可得折疊桿與固定鉸接點(diǎn)O2和滑塊B連接線間的夾角計算公式為:

      (4)

      根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動原理可以得出拉桿與折疊桿間夾角α和曲柄與傳動桿夾角β為:

      (5)

      輔助角γ和BO2計算公式為:

      (6)

      將公式(6)代入公式(4)中可得折疊角φ:

      (7)

      由于s=s1+s2,則由公式(3)可得s2:

      (8)

      將公式(8)代入公式(7)得折疊/展開角φ為:

      (9)

      其中A、B和C的值為:

      (10)

      根據(jù)公式(9)可以看出折疊翼角度φ的大小除了受到曲柄轉(zhuǎn)動角度θ的影響,還受到機(jī)構(gòu)各桿件參數(shù)l、l1、l2、l3和s、m的影響,其中參數(shù)s和m影響機(jī)構(gòu)桿件的長度,進(jìn)而影響機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和合理性。直接根據(jù)公式(9)進(jìn)行模型設(shè)計,會因為結(jié)構(gòu)參數(shù)較多和折疊翼機(jī)構(gòu)折疊/展開幅度要求的問題,造成設(shè)計的機(jī)構(gòu)參數(shù)達(dá)不到理想的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和折疊翼折疊/展開幅度角度的要求,需要重新確定曲柄滑塊折疊翼機(jī)構(gòu)各桿件參數(shù)值。

      2.2 機(jī)構(gòu)參數(shù)選定

      2.2.1 機(jī)構(gòu)影響因素

      設(shè)計參數(shù)選取曲柄長度l、傳動桿長度l1、拉桿長度l2、折疊桿A1O2段長度l3、固定鉸接點(diǎn)O2到結(jié)構(gòu)中心線的距離m和曲柄中心點(diǎn)O至固定鉸接點(diǎn)O2的垂直距離s為曲柄滑塊折疊翼機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。

      2.2.2 約束條件

      曲柄滑塊折疊機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中為非對稱結(jié)構(gòu),為了減小非對稱性運(yùn)動對折疊翼飛行器在空中滑翔飛行和折疊翅膀的影響,機(jī)翼展開和折疊時機(jī)構(gòu)整體需為對稱結(jié)構(gòu),則曲柄轉(zhuǎn)動角度θ的運(yùn)動范圍設(shè)定為:0≤θ≤180°。

      其他機(jī)械學(xué)條件:

      曲柄長度:5mm≤l≤7mm;

      曲柄約束條件:l+l1≤l2+l3;

      傳動桿長度:9mm≤l1≤12mm;

      拉桿長度:15mm≤l2≤20mm;

      折疊桿A1O2段長度:6mm≤l3≤9mm;

      固定鉸接點(diǎn)O2到結(jié)構(gòu)中心線的距離m和曲柄中心點(diǎn)O至固定鉸接點(diǎn)O2的垂直距離s的存在條件為s≤l1+l2。

      2.2.3 優(yōu)化目標(biāo)

      將機(jī)翼折疊幅度最大化是曲柄滑塊折疊翼機(jī)構(gòu)設(shè)計目標(biāo),折疊角φ的運(yùn)動范圍為:0≤φ≤90°,確定各桿件長度。

      2.2.4 確定機(jī)構(gòu)桿長參數(shù)

      在曲柄滑塊折疊翼機(jī)構(gòu)設(shè)計時,機(jī)構(gòu)各桿件長度初始值如表1所示。經(jīng)過分析后,如圖5黑色曲線所示,折疊最小角φ為4.74°,最大角度為92.52°,并不符合設(shè)計目標(biāo)要求,為此需重新確定各桿件長度。

      表1 機(jī)構(gòu)各桿件初始值

      曲柄長度越長,所需要的力矩越小;反之,所需力矩越大。為使機(jī)構(gòu)更加合理和便于研究,曲柄長度取定值,為6.4mm,設(shè)定折疊角度幅度為φ=90°,計算出合理的桿件長度,如表2所示。

      表2 機(jī)構(gòu)各桿件優(yōu)化值

      將表1、2的參數(shù)代入公式(9),利用MATLAB求解并繪制出優(yōu)化前優(yōu)化后的機(jī)翼折疊角φ隨曲柄驅(qū)動角度θ運(yùn)動關(guān)系曲線圖,如圖4所示,曲柄旋轉(zhuǎn)180°,折疊翼機(jī)構(gòu)由展開轉(zhuǎn)變?yōu)檎郫B狀態(tài)。優(yōu)化前折疊角φ最大為88.2°,最小為5.18°,折疊/展開幅度為83.02°;優(yōu)化后φ最大為90.26°,最小為-0.14°,折疊/展開幅度為90.4°,由于計算出的桿件長度取小數(shù)點(diǎn)后兩位,故得到的φ角度上下存有極小的余量,在合理的范圍之內(nèi),達(dá)到折疊展開幅度的設(shè)計要求。

      圖4 優(yōu)化前后機(jī)翼折疊角變化對比

      將表2中的數(shù)據(jù)代入公式(5),利于MATLAB進(jìn)行求解并繪制曲線,得到曲柄與傳動桿之間的夾角β和拉桿與折疊桿夾角α與曲柄轉(zhuǎn)動角θ的運(yùn)動變化曲線,如圖5所示。曲柄轉(zhuǎn)動一次角度為180°,曲柄與傳動桿夾角β最小值為0°,最大值為180°,轉(zhuǎn)動幅度達(dá)到180°,符合折疊翼機(jī)構(gòu)設(shè)計要求;拉桿與折疊桿夾角α最小值為35.28°,最大值為155.8°,運(yùn)動幅度為120.52°。

      圖5 折疊翼機(jī)構(gòu)相關(guān)桿件間夾角關(guān)系變化曲線

      3 ADAMS仿真驗證

      從理論分析來看,曲柄滑塊式折疊翼機(jī)構(gòu)能夠符合撲翼機(jī)折疊要求,為驗證其合理性,利用SolidWorks繪制的折疊翼機(jī)構(gòu)模型,導(dǎo)出為“X_T”文件格式,再將“X_T”文件導(dǎo)入動力學(xué)仿真ADAMS中,如圖6所示。在各桿件關(guān)節(jié)處添加旋轉(zhuǎn)副,在滑塊處添加移動副,移動副位置分別選定滑塊和地面,運(yùn)動副添加完畢后,在曲柄中心處的旋轉(zhuǎn)副上添加旋轉(zhuǎn)副驅(qū)動,將仿真時間設(shè)置為3s,定義運(yùn)行時間函數(shù)為60.0d*time,仿真運(yùn)行一次,曲柄轉(zhuǎn)動180°,然后進(jìn)行仿真驗證。通過建立參考點(diǎn),測量折疊桿輸出的角度。在ADAMS后處理中查看輸出角度曲線,并與理論分析進(jìn)行比較,得到圖7所示的曲線。

      圖6 ADAMS仿真

      圖7 理論計算與ADAMS仿真對比

      如圖7所示,MATLAB理論計算的折疊角度φ運(yùn)動曲線與仿真分析得到的運(yùn)動曲線完全一致,證明了理論分析正確,曲柄滑塊式折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計具有合理性。

      折疊翼飛行器機(jī)翼折疊角速度如圖8所示,當(dāng)仿真運(yùn)行時間為0s時,角速度為0rad/s,當(dāng)運(yùn)行時間到1.14s時,角速度持續(xù)增加達(dá)到最大值為44.5rad/s,當(dāng)運(yùn)行時間到3s時,角速度持續(xù)較小直至為0rad/s。可以看出,折疊翼機(jī)構(gòu)在機(jī)翼折疊過程中不會出現(xiàn)失速,具有良好的傳動性。

      圖8 曲柄滑塊折疊機(jī)構(gòu)折疊角速度仿真結(jié)果

      4 曲柄滑塊式折疊翼飛行器總體設(shè)計

      利用三維建模軟件SolidWorks建立曲柄滑塊式折疊翼飛行器模型,如圖9所示。

      圖9 曲柄滑塊折疊翼撲翼機(jī)總體設(shè)計

      折疊翼機(jī)構(gòu)不同于撲動機(jī)構(gòu),折疊和展開為非持續(xù)性往復(fù)動作,因此,采用伺服舵機(jī)作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)較為合適。尾翼同樣采用私服舵機(jī)作為驅(qū)動機(jī)構(gòu),能夠上下?lián)鋭?,維持折疊翼飛行器飛行姿態(tài)。圖10為折疊翼飛行器在機(jī)翼折疊角φ=90°、φ=50、φ=0時的整體姿態(tài),可以看出折疊翼飛行器能夠由完全展開狀態(tài)的90°折疊收縮為0°,整個運(yùn)動過程具有連續(xù)性和流暢性。

      (a)φ=90°

      5 結(jié)論

      (1)基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的兩根搖桿改變?yōu)閮筛鶛C(jī)翼折疊桿,折疊桿對向的一段用鉸接點(diǎn)固定,兩根拉桿連接折疊桿和滑塊,組成機(jī)構(gòu)的折疊部分。改進(jìn)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)應(yīng)用于折疊翼機(jī)構(gòu)具有良好的對稱性和穩(wěn)定性。

      (2)依據(jù)改進(jìn)的曲柄滑塊折疊翼機(jī)構(gòu),進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析,并計算得到最優(yōu)的機(jī)構(gòu)桿件參數(shù)。利用MATLAB進(jìn)行理論分析,曲柄轉(zhuǎn)動180°,機(jī)翼完成一次折疊收縮動作,且機(jī)翼折疊幅度能夠達(dá)到90.4°,達(dá)到預(yù)期的設(shè)計要求。利用ADAMS進(jìn)行仿真分析,模擬機(jī)翼折疊運(yùn)動姿態(tài),并與理論分析進(jìn)行比較,結(jié)果表明,理論分析與仿真結(jié)果一致,證明了理論的正確性。

      (3)曲柄滑塊式折疊翼機(jī)構(gòu)在理論上具有可行性,為進(jìn)一步驗證理論的合理性,還需要進(jìn)行實物制作和試驗飛行,繼續(xù)完善折疊翼飛行器的研究。

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